基于MXene乳液体系的电化学储能及传感应用

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过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)是一种新型的二维层状纳米材料,由于其自身优异的导电性、良好的亲水性、丰富的组成和结构以及简单可调的表面化学性质和层间距等独特优势,近年来在能源储存、传感、电磁屏蔽、催化反应、生物环境等方面都有广泛应用。但是,MXenes在实际应用中仍有两大缺陷:重新堆叠问题和氧化不稳定性。针对此问题,本论文利用胶体与界面化学中的特色体系——离子液体参与形成的乳液体系,尝试从微观尺度与宏观尺度上分别构筑克服两大缺陷而保持长期稳定性的MXenes组装体——二维膜材料和三维多孔材料,基于性能导向进行结构设计,分别应用于性能优异的超级电容器和可穿戴压阻传感器,为MXenes基复合材料的设计与应用拓展提供新思路。论文主要由以下几个部分构成:第一章,绪论,论述了 MXenes的合成方法、组成结构、独特性质以及应用优势。瞄准MXenes在超级电容器和可穿戴压阻传感器应用中的两大缺陷,结合离子液体的自身优势及其参与构筑的乳液体系,引出了本论文的选题依据、研究内容和意义。第二章,利用聚吡咯(PPy)颗粒和离子液体(Ionic liquids,ILs)基微乳液液滴作为MXene纳米片的“双间隔剂”构筑了电极-电解质复合膜材料,在电极中建立了快速的电子/离子传输通道。PPy作为第一种“间隔剂”解决了 MXene本身的聚集和堆积问题,并为杂化材料带来了理想的电容;ILs基微乳液作为第二种液体“间隔剂”,显著提高了电解质对电极的润湿性,实现了快速的离子扩散动力学。最终组装为对称超级电容器,实现了该电容器在4~50℃之间优异的比容量、倍率性能和循环稳定性。这一策略为构筑以各种离子液体作为电解质的MXene基超级电容器提供了新的可能。第三章,以离子液体包水型(W/IL)Pickering乳液作为模板,通过进一步聚合连续相,构筑了氧化稳定性增强的Ti3C2-MXene基多孔材料(MPMs),同时解决了 MXenes基材料在实际应用中的两个关键问题,即重新堆叠和氧化不稳定性。制备的多孔材料可提供由乳液模板衍生的弹性空心球结构,适用于构筑高灵敏度、高精度、重复性好的可穿戴压阻传感器。离子液体作为分散剂可猝灭活性氧自由基,聚离子液体作为表面修饰剂可通过笼效应形成纳米片表面保护层,极大地改善了 MXenes基材料的氧化稳定性。另外,所制备的气凝胶同时具有较高的疏水性、丰富的孔隙度和足够的机械强度,可作为选择性吸收有机溶剂的理想候选材料。本工作为开发高性能、多功能的MXenes基复合材料平台创造了新的机会。
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